意识的波粒二象性的详细演示(3)
单电子双缝实验是量子力学中最基本也是最重要的实验。2002年，美国《物理世界》杂志将其评为物理学十大最杰出实验之首[1]，也可以说是人类历史上最神奇的物理实验。这个小小的实验将波粒二象性和量子奥秘的奇异性展现得淋漓尽致，极大地冲击了我们的世界观，长期困扰着包括爱因斯坦在内的许多物理学家。对这一实验现象的解释仍有争议。物理学家理查德·费曼说:“单电子双缝实验包含了量子力学的核心。事实上，它包含了一个独特的奥秘。我们不能通过解释它是如何工作的来消除这个谜。我们只是告诉你它是如何工作的。在告诉你它是如何工作的同时，我们也会告诉你量子力学的所有基本特征。”[2]
单电子双缝实验是最严谨、最可靠的经验现象，也是最深刻、最困难的经验现象。这也是唯一一个必须考虑观察者意识的物理实验。它是哲学思维最可靠的逻辑起点，包含了哲学几乎所有的重大问题和根本奥秘。几乎涉及所有重大哲学问题，如实在与反实在(本体论)、先验与经验(认识论)、因果论(薛定谔进化论和狄拉克的选择)、自由意志(海森堡的选择)、逻辑理论(形式逻辑、辩证逻辑和量子逻辑)、时空的本质(二元时空)和心物相互作用(相干叠加)，甚至隐含着灵魂的不朽。甚至可以说，把单电子双缝实验作为阿基米德哲学思考的基点，可以撼动整个宇宙。
对于这个实验，大家可以详细看下面的动画演示，生动的演示了电子双缝实验的神奇现象。
在电子双缝实验中，当我们通过中间的双缝将一束电子打在最终的显示屏上时，根据经验和常识，电子只是一个像足球一样的单个微小颗粒状物体。在日常世界中，如果我们连续踢出很多足球，穿过一堵中间有两道狭缝的墙，那么最终的网上只会形成两道条纹，不可能形成多道干涉条纹。而电子双缝实验的结果严重背离了我们的常识和经验，最终在屏幕上形成了只有波才能形成的干涉条纹。
那么大量电子相互碰撞会导致这种情况吗？如果它们相互碰撞，确实有可能改变电子运动的路径。虽然可能不会形成干涉条纹，但这种可能性应该完全排除。所以我们可以改进实验装置，让电子枪一个一个发射电子，间隔可以超过一秒，然后看看实验结果如何。
当一个电子被击中时，屏幕上只出现一个亮点。通过的电子越多，出现的亮点就越多。这些点乍一看是混沌的，但是随着时间的推移，当越来越多的电子被敲出，大量电子形成的大量点逐渐形成只有波才能形成的干涉条纹！
由于电子是长时间一个接一个地发射出来的，因此可以从逻辑上推断，单个电子一定是一种韧性波，同时可以通过双缝对自身进行干涉，从而形成只有波才能形成的干涉条纹，但这怎么可能呢？一个电子根本不可能是波，因为我们每天观察到的波都是多粒子团簇涨落。单个局域小粒子怎么会是广泛的团波？怎么可能像分离一样同时穿过两个狭缝？这是双缝实验产生的神秘现象之一。
为了解决上面的困惑，我们需要观察电子是如何通过双缝的，是否真的存在神奇的“电子分离”，于是我们在双缝旁边安装了一个探测器，看看电子是通过哪条缝的，又是如何通过的。这个实验叫做“哪边走”实验，由德国康斯坦茨大学的杜尔和雷姆佩于65438年至0998年完成。[3]
实验结果再次超出了人们的想象。当我们去通过探测器观察电子是如何同时穿过双缝的时候，电子竟然穿过了一条缝，干涉条纹消失了！屏幕上有两条经典的亮条纹！换句话说，一个小小的观察实际上改变了电子的存在特性，使其从涨落变成了粒子。为什么观察会有这么神奇的效果？这样的实验结果更让我们困惑。为什么？
单电子双缝实验最初是由物理学家费曼在1961年提出的。因为这个实验需要的间隙尺寸在纳米量级，当时的技术条件无法实现。1974年，意大利博洛尼亚大学的科学家Merli、Missiroli和Pozzi对“单电子”进行了实验[4]。他们让单个电子穿过双棱镜，这是一种与双缝功能相似的电子光学设备。让电子一个一个间隔发射。然后在屏幕上记录下电子的位置，最后观察到干涉条纹的出现。
费曼提出的单电子双缝实验真正实现是在2013年，由美国和加拿大科学家罗杰·巴赫和达米安·波普[5]完成。他们在镀金的硅膜上做了一道宽62纳米、长4微米、缝间距272纳米的双缝。为了一次覆盖一个接缝，由压电致动器控制的微小掩模可以在两个接缝之间来回滑动。在实验中，电子由钨丝产生，在600伏的电场中加速，然后校准成电子束。电子通过双缝后，会在多通道感光膜上被观察到。在这个实验中，两个狭缝都可以随意机械地打开和关闭。最重要的是它有一次检测一个电子的功能。这个实验中电子源的强度很低，每秒只能观察到一个左右的电子，这就保证了一次只有一个电子会通过双缝。经过两个多小时的实验，最终的实验图像仍然出现干涉条纹。
从1801最早的杨氏双缝实验到2013的单电子双缝实验，跨度达到200年，见证了波粒二象性和量子世界的神奇。
双缝实验有力地证明了物质粒子和电子一样也具有波动性，但对物质粒子波动性的认识经历了长期的激烈争论。德布罗意、薛定谔等量子物理学的先驱，包括爱因斯坦，都曾受到经典物理概念的影响，犯过各种错误。甚至爱因斯坦直到去世也没有接受量子力学对波粒二象性的理解。
双缝实验的第一种解释是纯粒子观，认为电子只能是粒子，不能是波。干涉条纹的形成是由不同粒子之间的相互作用引起的。所谓波动，是由于大量电子在空间的分布而产生的一种密度波，类似于空气振动的纵波，也是由于分子密度交替而产生的一种波分布。但这种观点显然与实验现象相矛盾，因为在实验中，我们让电子一个一个地从电子枪中发射出来。虽然一开始无法形成干涉条纹，但只要时间足够长，屏幕上还是会出现明暗干涉条纹。这说明在空间中许多电子聚集在一起时，电子的涨落并不出现，单个电子也有涨落。把电子理解为纯粒子，夸大了粒子面，抹杀了涨落面，这是片面的误解。
双缝实验的第二种解释是纯波观点的解释，认为电子不是离散的小粒子，而是三维连续分布的物质波包，波包的大小就是粒子的大小，波包的群速度就是电子的运行速度，从而产生干涉现象，这是薛定谔早期坚持的观点。但这种观点也遇到了非常严重的困难，因为经过严格的计算，随着时间的推移，单个粒子的物质波包必然会扩散，即粒子会越来越胖，这显然与实验结果相反，因为我们在实验中观察到的单个电子都局域在空间的一个小区域内，是颗粒状的。而且，如果电子是三维空间中的物质波包，那么在电子衍射实验中，电子波与晶体碰撞发生衍射，我们会在空间中看到一部分不同方向的电子，这与实验是严重矛盾的。我们所观察到的都是一个接一个的完整电子。把电子理解为纯涨落，夸大了涨落的一面，抹杀了粒子的一面，这也是一种片面的误解。
1926年，量子理论的创始人之一Max Bonn在论文《碰撞过程的量子力学》[6]中首次提出了波函数的统计解释，解决了这个问题，并得到了无数实验的证实。波恩因此获得诺贝尔物理学奖。根据波函数的统计解释，电子的涨落不是真实三维空间中的物理波，而是抽象的概率波。数学上，描述粒子的波是用一个叫做波函数的函数来表示的。描述粒子的波函数，实际上是描绘了粒子在空间中的概率分布。电子通过双缝时，几率波相干叠加在自身上，表现为涨落，进而产生干涉条纹。当电子到达屏幕时，我们观察它，电子的波函数瞬间随机坍缩，然后在屏幕上出现一个小亮点，此时表现为粒子的特征。虽然一个电子的出现是随机的，但是大量的电子符合概率分布，所以当大量的电子出现时，就形成了干涉条纹。
电子从发射开始到双缝再到最后的屏幕是如何追踪的？彼得·柯文尼教授回答说:“如果量子力学给出了最基本的描述，那么询问电子的下落是没有意义的，除非它们已经撞上了屏幕。所以我们不得不得出这样的结论:电子以某种方式在时空中扩散，它穿过两个狭缝，并自我干涉，直到最后奇迹般地坍缩在屏幕上的某一点，这是完全随机的。因此，我们可以说电子无处不在，同时它们也无处不在。”[7]
电子无处不在，意味着它在整个空间(整个宇宙)都有分布的概率。即使是遥远的仙女座星系也还是有概率分布的，只是概率值很小。电子无处不在，也就是说它虽然有分布在整个空间的概率，但它并不出现在任何空间位置(这里的空间是指物理空间)，除非观测到电子的波函数使其坍缩到特定的空间位置，使其出现。一旦电子坍缩出现，它在整个空间范围内其他空间位置的不同分布概率值都在一瞬间变为零，甚至遥远的仙女座星系的概率分布值也在一瞬间变为零。
经典物理中的涨落是指一个真实的物理量在空间中通过介质的周期性连续传播过程，它可以产生相干叠加现象。波动的特征用振幅、频率、波长等物理量来描述。经典波的色散是空间分布的。一列波经过某地，另一列波也可以经过某地。两列波可以在同一个地方相干叠加，波可以进入。经典物理学中的粒子是出现在空间中的离散物体。这个物体有确定的位置、质量、电荷、动量等。，并且在时空中有确定的连续轨道。经典粒子整体集中在某个区域空间。如果一个粒子在某个地方，不能同时被另一个粒子占据，其他粒子也不能被占据。粒子不是。粒子运动的特征由动量、质量、密度和粒子几何形状等物理量来描述。在传统经典物理学看来，波动性和粒子是完全对立的。一个分散，一个集中；一个连续，一个分开；一个可以叠加，一个不能叠加。它们不能存在于一个物体中。
电子到底是什么？它既不是经典粒子，也不是经典波，但我们可以说它是粒子与波的二元性矛盾的统一，这就是波粒二象性。电子不是经典粒子是因为它没有经典粒子所决定的连续轨道，以及它在空间的不连续跃迁，量子粒子保留了经典粒子的粒度(离散性，离散性)。电子不是经典波，因为它不是真正的物理波，而是抽象的概率波。量子波保留了经典波的相干叠加。在指出波粒二象性的一些常见误解后，H. Margenau也说:“一个电子既不是粒子，也不是波。根据今天最广泛持有的、与量子力学既定理论纲领相协调的观点，一个电子是一个抽象的东西，它不再能以日常经验的熟悉方式被直观地理解。”[9]对于波粒二象性，我们应该尽量避免用直观的图像去想象，因为任何直观的图像都来自于经验的经典理解，固守经典理解肯定会曲解波粒二象性。要真正理解波粒二象性，必须彻底抛弃经典物理和经验理解的概念约束。
在我们不观测的时候，电子是不确定的量子叠加态，用波函数来描述，波函数在整个空间是概率分布，所以是概率波。其实整个空间的波函数是一个完全抽象的粒子。当我们观察电子的波函数时，全空间电子的整个波函数在局部空间随机坍缩成单个特定粒子。电子的叠加，似乎意味着它可以同时在很多地方，无处不在，却又无处不在。但是，我们从来没有经历过这种奇怪的量子叠加态。我们看到的任何宏观的物体和自我，都只能在空间的一个位置，不可能在北京和上海。
波粒二象性的解释与我们的日常经验和排中律形式逻辑严重冲突。所以量子力学的开创者，包括德布罗意、薛定谔、爱因斯坦等物理学家，都很难接受玻尔、海森堡、波恩提出的整个量子理论的解释。爱因斯坦和玻尔为此争论了几十年，是物理学中持续时间最长、争论最激烈、最具哲学意义的世纪大辩论。虽然对量子力学的解释众说纷纭，实验也一再证明了量子理论的正确性，但其基本问题仍然令人费解。难怪玻尔说:“谁不对量子论感到惊奇，谁就不会理解它。”物理学家理查德·费曼也在康乃尔大学的一次演讲中说，“我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学”。
量子力学逐渐成为一种计算工具。大多数物理学家认为只要理论是实用的，为什么一定要去理解？就像鸵鸟一样，把头埋在沙子里，不看它。这就是“闭嘴算了”的解释。这种务实的、工具性的闭嘴算计解释，满足不了我这种喜欢刨根问底的人。现在我们要深入探讨波粒二象性的奥秘，这就需要我们来谈谈冯·诺依曼令人震惊的认识:意识导致波函数的坍缩。
参考资料:
1.乔治·约翰逊。十大最美物理实验[J]。浅谈物理教学。2009(18): 24-25.
2.【美】费曼。费恩曼物理学讲座(第三卷)[M]。上海科学技术出版社2013
3.李晓明，王晓明.电子干涉现象的统计分析[J].美国物理学报，2002
4.张文杰，等.原子干涉仪中的干涉条纹可见度和光路信息[J].物理评论信。1998, 81(26): 5705-5709.
5.刘国明，刘国明.可控双缝电子衍射[J].电子科学出版社，2002 .新物理学杂志。2013, 15.
6.M.Born,“科学的量子力学”,物理学杂志，37，863-867
7.彼得·柯文尼。时间之箭——解开时间最大谜团的科学之旅[M]。湖南科学技术出版社，2002。
8.赵国秋。波粒二象性的有机统一[J].WISCO大学学报。2000 (02): 1-6。
9.关宏。一代神话:哥本哈根学派[M]。武汉出版社，2002。
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第一部分:意识的波粒二象性的详细论证(2)
※意识的波粒二象性的完整系列演示
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